确定中微子的质量是当代物理学最具挑战性的任务之一。德国卡尔斯鲁厄氚中微子实验（KATRIN）在这一领域发挥了关键作用，它通过一种与模型无关的方法，直接测量电子中微子的有效质量。在长达 259 天的实验运行中，KATRIN 以前所未有的精度收集数据，为揭示中微子微小质量的本质提供了重要线索。

中微子是一种几乎没有质量、仅通过弱相互作用与其他物质发生作用的粒子，在标准模型中长期被视为质量为零。然而，近几十年来的实验（如中微子振荡）已确认它们拥有非零质量，这一发现对粒子物理和宇宙学具有深远影响。例如，中微子对早期宇宙的演化及星系形成起到了关键作用。

尽管中微子振荡实验揭示了不同中微子之间的质量差，但它们无法确定中微子的绝对质量。KATRIN 实验正是为此目的而设计：通过氚的 β 衰变末端谱精确测量中微子的绝对质量。

中微子质量为何重要？

中微子的非零质量暗示标准模型必须扩展，这使得对其质量的测量成为基础物理研究的核心任务之一。直接测量结果还可以对宇宙学参数（如暗物质密度、宇宙膨胀率）进行精确约束。

KATRIN 的目标

KATRIN（Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment）旨在通过氚 β 衰变过程精确测定电子中微子的质量。由于中微子会从衰变能量中“带走”一部分能量，其质量会在电子能谱靠近末端处留下痕迹。KATRIN 正是通过极高分辨率的末端谱测量，来寻找这种痕迹。

氚 β 衰变原理

氚（³H）衰变为氦-3（³He）、一个电子以及一个电子反中微子。电子的动能分布呈连续谱，最大动能约为 18.6 keV。中微子的质量会影响电子能谱靠近这一末端区域的形状。因此，测量谱线末端精细结构可以获得中微子质量信息。

MAC-E 滤波器与探测技术

KATRIN 使用一种叫做 MAC-E（Magnetic Adiabatic Collimation with Electrostatic）滤波器的系统，将电子的动能精确转换为电势能并测量。其高达 0.93 eV 的能量分辨率，足以分辨中微子质量对谱线的微小影响。

数据收集与分析

在这 259 天中，KATRIN 记录了约 3600 万个 β 衰变事件。研究人员通过拟合理论模型与实际观测数据，提取末端能谱的形状特征，并估计中微子质量。同时，他们也对系统误差和背景噪声进行了严格控制和修正。

测量结果

KATRIN 给出的中微子质量平方的最佳拟合值为：m²ν=−0.14−0.15+0.13 eV²。尽管该值略为负数（这在高精度测量中属于常见的统计偏移），但在误差范围内与零相容。

质量上限

在 90% 置信水平下，中微子的质量上限被限定为：mν<0.45 eV。这是目前为止最精确的直接测量结果，比 KATRIN 早期数据提升了近一倍精度。

标准模型与超越模型

KATRIN 的结果对“西瓦机制”（seesaw mechanism）等解释中微子质量的理论提供了限制，也对可能存在的“惰性中微子”或“右手中微子”进行了排除或约束。

宇宙学意义

在宇宙学中，中微子作为轻质但数量极多的粒子，其质量影响了大尺度结构（如星系团）形成。KATRIN 的上限结果有助于校准宇宙膨胀模型、冷暗物质理论及暗能量分布等关键问题。

未来展望

KATRIN 预计将持续运行至 2026 年，并通过增加数据量和进一步降低系统误差，力争将测量灵敏度提高到 0.2 eV 以下。如果最终探测到非零质量，将标志着基础物理的一次重大突破。

KATRIN 实验在 259 天的运行中，取得了迄今最精确的中微子质量上限结果，向“直接测量中微子绝对质量”这一物理学圣杯迈出了坚实一步。尽管目前尚未发现明确的非零质量信号，但其测量精度已经大大收紧了理论模型的可行范围，也为未来发现中微子真实质量铺平了道路。

无论是对粒子物理的基本结构理解，还是对宇宙大尺度演化的深入描绘，KATRIN 的工作都具有开创性意义。随着更多数据的积累和方法的优化，我们有理由期待，在不久的将来，人类或许终于能揭示中微子的“体重”。